Оборудование нефтеперерабатывающих предприятий и основы проектирования

S=V_сех/

(10)  Д=2 (11)   H=V/S  (12)

 Расчетную высоту (длину) аппарата уточняют в  зависимости от размеров устройств, которые должны быть в нем размещены, а также с учетом необходимости проведения ремонтных работ и удобства обслуживания.

При технологическом  расчете аппаратов периодического действия необходимо учитывать время на подготовку процесса перед каждым циклом, т. е. время, затрачиваемое на загрузку, выгрузку, промывку и другие вспомогательные операции, не имеющие прямого отношения к тому процессу, для которого предназначен аппарат.

Рабочий объем V периодически действующего аппарата определяют по формуле (13). Если при расчете получился очень большой рабочий объем V, то, задавшись объемом одного аппарата V_а, определяют число необходимых для процесса однотипных аппаратов п по формуле (1.8):

 

V=_cyr

K/(24 )  (13)                             n=V/Va  (14)

где У_сут — суточная производительность аппарата или группы аппаратов, предназначенных для данного процесса; т — продолжительность технологического цикла, состоящего из собственно процесса и всех вспомогательных операций; k — коэффициент, запаса производительности;        F- коэффициент заполнения аппарата.

Коэффициент запаса производительности R, учитывающий непроизводительные простои аппарата на ремонт, наладку и т. д., принимают равным 1,1 — 1,15. Коэффициент заполнения обычно принимают равным 0,4 — 0,9, причем нижний предел принимают для аппаратов с перемешивающими устройствами, а также для аппаратов, в которых возможно образование пены, а верхний предел — для аппаратов, в которых поверхность среды относительно спокойна.

При определении объема аппарата следует учитывать, что  ГОСТ устанавливает следующий ряд номинальных объемов (м³) сосудов и аппаратов: 0,010; 0,016; 0,025; 0,040; 0,063; 0,100; 0,125; 0,160; 0,200; 0,250; 0,32; 0,40; 0,50; 0,63; 0,80; 1,00; 1,25; 1,60; 2,00; 2,50; 3,2; 4,0; '5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500.

Внутренний объем крышек, люков, штуцеров, а также объем  защитной футеровки и других покрытий при определении номинального объема аппарата не учитывается.

Для газгольдеров, емкостей под нефтепродукты, аппаратов колонного типа, теплообменников и некоторых других аппаратов приведенный выше нормальный ряд объемов не обязателен.

Зная объем аппарата, нетрудно определить его размеры. Для  этого задаются площадью сечения  и определяют высоту (длину) аппарата или, наоборот, задавшись высотой (длиной), определяют площадь поперечного сечения и, следовательно, диаметр аппарата. ТОСТ предусматривает геометрические размеры аппарата, подбираемые по его емкости.

Наряду с основными  размерами аппарата при проведении технологического расчета определяют или задают тепловой режим, расход теплоносителей, потери напора, потребные мощности и другие параметры, без которых невозможно проектирование оборудования.

Механический  расчет

Процессы, для которых  проектируется оборудование нефтеперерабатывающих заводов, отличаются чрезвычайным разнообразием параметров. Основными эксплуатационными параметрами являются температура, давление и физико-химические свойства среды. Следует учитывать, что технологическое оборудование непосредственно контактирует с рабочими средами, а при широком интервале параметров процесса часто проявляется сильное агрессивное воздействие среды, зависящее от её физического . состояния и химических свойств.

Оборудование должно быть надежным и безопасным в эксплуатации. Повышенные взрыва и пожароопасность среды, высокая производительность и продолжительная непрерывная работа оборудования нефтеперерабатывающих заводов обусловили дополнительные требования к его конструкции. Оборудование считается надежным, если оно полностью соответствует технологическому назначению в пределах заданных параметров рабств!, если исключена возможность нарушения целостности и пригодности всей конструкции, ее узлов и деталей и, следовательно, возможность аварий.

Автоматическое регулирование  и поддержание заданного режима технологического процесса в сочетании с разнообразными частными решениями (например, установка предохранительных клапанов, систем сигнализации и др.) обеспечивают работу оборудования в строго определенных пределах параметров. Поэтому надежность оборудования обусловлена, прежде всего, его конструкцией и уходом задним в процессе эксплуатации.

Надежность конструкции  обеспечивается механическим расчетом, т. е. расчетом на прочность оборудования в целом, его узлов и деталей. Для изготовления оборудования выбирают такие конструкционные материалы, свойства которых на протяжении установленного срока непрерывной эксплуатации не ухудшаются и соответствуют допускаемым для каждого конкретного случая нормам.

Конструкция должна обеспечить наибольшую долговечность оборудования, т. е. продолжительность сохранения минимально допустимой надежности в условиях эксплуатации и принятой системы обслуживания (ухода и ремонтов). Однако при повышении долговечности конструктивным путем (увеличением толщины стенки аппарата, диаметра вала машины и т. д.) или путем применения высококачественных конструкционных материалов возрастает стоимость оборудования, что не всегда целесообразно. Следует, помнить, что в связи с совершенствованием технологических процессов переработки нефти требуется частое переоснащение технологических установок и целых комплексов. В этих случаях оборудование списывают не из-за потери надежности, а ввиду того, что оно устаревает морально. Поэтому при установлении проектной долговечности следует исходить из перспективности технологического и конструктивного решения каждого вида оборудования.

Конструкция оборудования должна быть технологичной. В изготовлении, удобной для транспортировки, монтажа и ремонта, а также максимально экономичной, что определяется, прежде всего, минимальным расходом конструкционных материалов, особенно дефицитных, дорогостоящих.

Только правильно проведенный  расчет на прочность или жесткость  может удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к конструкции оборудования.

После определения всех конструктивных размеров аппарата или  машины составляют рабочие чертежи, по которым на машиностроительном заводе изготовляют данное оборудование.

Несмотря на многообразие процессов, и видов оборудования в нефтеперерабатывающей промышленности, за последние годы проведена большая работа по унификации ряда аппаратов и машин, а также узлов и деталей к ним. Это значительно облегчило их проектирование и изготовление и повысило эффективность использования.

На многие аппараты и  машины утверждены Государственные стандарты (ГОСТ), надругие распространены отраслевые стандарты (ОСТы) и отраслевые нормали (ОН). При проектировании необходимо строго придерживаться нормативных материалов, область действия которых постоянно расширяется.

 

 

 

 

Вопросы для  проверки

1. Уравнение материального баланса
2. Уравнение теплового баланса
3. Что такое движущая сила процесса
4. Материальный баланс для непрерывных и периодических процессов
5. Уравнение зависимости размера аппарата от движущей силы процесса
6. Формула расчета площади поперечного сечения аппарата
7. Формула расчета рабочего объема периодически действующего аппарата
8. Как обеспечивается надежность конструкции оборудования
9. Требования к конструкции оборудования
10. Как можно определить размеры аппарата зная его объем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 7

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

 

План 

1. Расчет теплообменных аппаратов
2. Кожухотурубные теплообменники
3. Теплообменники «труба трубе»

 

Тепловой расчет.

Поверхностный теплообменный аппарат  предназначен для отбора определенного количества тепла от горячего потока и передачи его холодному потоку. Если при этом нет тепловых потерь, т,е, в идеальном случае, выделяемое (Q₁) и получаемое

( Q₂) количества тепла должны быть равны. Практически всегда                      имеется потери в пределах 2-8%, поэтому уравнение теплового баланса записывается с учутом коэффициента использования тепла        в виде  Q₁  =Q₂   (VII.I) . Если подставить вместо Q₁ и Q₂ их значения, то уравнение можно записать в виде (VI.2):

        

                  G₁(q _t1 - q _t2)    = G₂ (q^'_t2  - q^'_t1 )            (VI.2)  

 

Где  G_1, G₂ - расход потоков, соответственно выделяющих и воспринимающих тепло;  q _t1,  q _t2 - энтальпия (теплосодержание) потока, выделяющего тепло соответственно при начальной температуре  t₁ и конечной температуре  t₂ ;  q_t1^' , q_t2^' - то же для потока, воспринимающего тепла.

Значения энтальпий  для различных потоков приведены  в справочной литературе. При определении  энтальпии необходимо учитывать  агрегатное состояние потока, чтобы  в расчет были включены скрытая теплота парообразования (конденсация) и теплота плавления (застывания).

Поверхность теплообмена  через плоскую стенку или через  стенку трубы, когда толщина ее пренебрежимо мало по сравнению с диаметром, определяют из основного уравнения теплопередачи:

 

         Q = KF  t_ср (VI.3) откуда   F = Q/K   t_ср     (VI.4)

 

Где  F - поверхность теплообмена, Q - количество передаваемого тепла; K - коэффициент теплоотдачи; M_ср-средняя разность температур между теплообменивающимися средами.

Коэффициент теплопередачи находят из уравнения

 

               К = -----------¹-----------------

                                1/       + 1/    +     (       )

где                       коэффициент теплоотдачи с каждой стороны стенки, через которую  происходит теплообмен;           толщина отдельных слоев стенки;           - коэффициент теплопроводности слоев стенки.

Коэффициент теплопроводности зависит от материала стенки, через  которую происходит теплообмен, и  от характера отложений (загрязнений) на этих стенках, появляющихся при эксплуатации. Ниже приведены значения        дя некоторых наиболее часто встречающихся материалов и отложений:

               Материал                                                Материал

 

Сталь                                                    Свинец……………34,9

         углеродистая…………46,5        Накипь,…………..1,1-3,5

         нержавеющая ………..17,5        Стекло……………0,7-0,84

Алюминий…………………..203,5     Кокс………………0,2-0,84

Медь…………………………384        Парафин………….0,67-0,1

Латунь………………………..93         Нефтепродукты….0,08-0,21

 

Если толщина стенки мала, а теплопроводности ее высока, то коэффициент теплопередачи приближенно  можно определять по формуле

Определение коэффициентов  теплоотдачи- самая трудоемкая часть  технологического расчета аппарата. Значения их зависят от характера движения теплообменивающихся потоков.

При движении жидкости в  трубе скорость потока неравномерна, она изменяется от максимальной в  центре до нуля около стенки.Чем  толще неподвижный слой жидкости вблизи поверхности, через которую происходит теплообмен, тем хуже передается тепло, так как теплопроводность жидкостей и газов, особенно нефтепродуктов, очень мала. Толщина неподвижного слоя жидкости, определяемая характером ее движения, зависит от скорости и вязкости жидкости, а также от диаметра трубы, по которой она движется

Характер движения потока устанавливают по значению критерия Рейнольдса                             (где       -линейная скорость движения потока; d- диаметр трубы;          -динамическая вязкость потока). Различают следующие режимы движения потоков: ламинарный (Re < 10000); турбулентный (Re > 10000); переходный (2300 <Re < 10000). Коэффициент теплоотдачи для каждого конкретного случая теплообмена находят в зависимости от режима движения теплообмениващихся потоков по формулам и номограммам, приведенным в специальной литературе по теплопередаче.                             

С увеличением турбулентности потоков теплоотдача возрастает Однако для создания высокой турбулентности необходимы высокие скорости потоков, что не всегда может быть оправдано: потребуются повышенный расход энергии на привод насоса, а также толстостенные аппараты, работающие под давлением.

В теплообменных аппаратах  в зависимости от их конструктивного  исполнения  возможны следующие  схемы взаимного движения потоков: прямоток (оба потока движутся в одном направлении); противоток (потоки движутся навстречу друг другу); перекрестный ток (направления потоков пересекаются) и смешанный ток (на отдельных участках направления взаимного движения изменяются). При прочих равных условиях направления движения потоков влияют на тепловую нагрузку теплообменных аппаратов.

На рис 1 видно, что  при прямотоке температурный  напор все время уменьшается  по ходу движения потоков, наибольший напор наблюдается в начале теплообмена, а наименьший - в конце. Следовательно, тепловая нагрузка поверхности теплообмена изменяется в больших пределах. Конечная температура нагревающегося потока всегда ниже конечной теипературы нагревающего (охлаждающегося) потока.Наибольшая разность температур (на входе в аппарат)                         наименьшая разность (на выходе из  аппарата).